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        紅外輻射對(duì)水活化效應(yīng)

        2020-09-05 05:54:52張曉曉曹琴西陳浩波
        科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新 2020年27期
        關(guān)鍵詞:熱效應(yīng)超純水氫鍵

        張曉曉 曹琴西 陳浩波

        (溫嶺市澤國(guó)丹崖污水處理廠,浙江 臺(tái)州318000)

        水分子在大自然不是單個(gè)分子存在,而是由幾個(gè)或者更多水分子通過氫鍵團(tuán)簇成較大的分子存在,這種大分子團(tuán)活性底,不利于人體健康。沒有污染過的水,一般都在5-6 個(gè)分子的小分子簇水,小分子簇水更易進(jìn)入人體細(xì)胞,將更多的水和營(yíng)養(yǎng)帶入細(xì)胞,提高了人體的免疫力。受污染的水小分子團(tuán)變成排列無(wú)序大分子,引起水的衰老、退化。目前常見活化水的方法有磁場(chǎng)法、電場(chǎng)法、紅外輻射法、直接加熱法等。

        在固態(tài)冰和液態(tài)水中,由于振動(dòng)泛頻率化,并與諸多類似轉(zhuǎn)動(dòng)的振動(dòng)態(tài)交織在一起,它所表現(xiàn)的拉曼光譜和遠(yuǎn)紅外也顯得異常復(fù)雜[1]。水分子之間氫鍵的鍵能29-42kJ/mol,相當(dāng)于2.7-4.1μm 的光子能量,因此黑體輻射的紅外線(2.4-12μm)(圖1)具有足夠的能量來(lái)打斷水中的氫鍵。

        水分子作用在遠(yuǎn)紅外區(qū)(25-1000um),350 波數(shù)以下為液態(tài)水分子轉(zhuǎn)動(dòng)的頻率區(qū),水分子間的氫鍵作用使振動(dòng)光譜區(qū)紅移,K.Liu 等人對(duì)幾個(gè)水分子的團(tuán)簇結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究,其轉(zhuǎn)動(dòng)和振動(dòng)光譜觀測(cè)區(qū)主要在幾十個(gè)波數(shù)區(qū)。水分子有多種方式振動(dòng)方式;如圖2 所示,僅在氣相中,存在對(duì)稱伸縮振動(dòng)(v1=3657cm-1)、非對(duì)稱振動(dòng)(v3=3657cm-1),和彎曲振動(dòng)(v2=1595cm-1)。

        1 實(shí)驗(yàn)

        1.1 實(shí)驗(yàn)儀器與試劑

        BSA224S 電子天平,德國(guó)Starorius 公司;

        DZS-306 純水電阻率儀,天津盛邦科技有限公司;

        CBVP-A 表面張力儀,上海精華進(jìn)出口有限公司;

        烏氏粘度計(jì),天津市科威儀器有限公司;

        黑體輻射儀,美國(guó);

        PH、溫度計(jì),哈希HQ40D;

        安捷倫AA-240FS+GTA120 原子吸收,美國(guó);

        DZG-303 超純水機(jī),上海富詩(shī)特儀器設(shè)備有限公司;

        HH-6 恒溫水域鍋,江蘇金壇市江南儀器廠;

        超純水H2O,電導(dǎo)率小于0.1×ms/m(25℃)。

        1.2 方法

        圖1 高、低功率黑體輻射曲線

        圖2 單體水分子振動(dòng)形式示意圖

        圖3

        表1

        本實(shí)驗(yàn)超純水在采用黑體發(fā)射裝置在高、低兩種不同功率作用后,檢測(cè)水的電導(dǎo)率變化??紤]到熱效應(yīng)的作用,紅外作用后的超純水溫度會(huì)有一定程度變化,紅外熱源和普通熱源不同溫度處超純水的電導(dǎo)率變化曲線,如圖3。

        實(shí)驗(yàn)所用超純水的初始溫度為21.2℃,初始電導(dǎo)率為0.07us/cm,作用時(shí)間15min。由于紅外的熱效應(yīng),水溫有不同程度的變化,可用普通熱源加熱超純水的電導(dǎo)率、粘度、表面張力作為對(duì)照組,由圖3 可以看到,在相同溫度(如32.2℃),水的電導(dǎo)率值不同,普通熱源加熱的超純水最小,低功率的超純水次之,高功率紅外作用后超純水的電導(dǎo)率最大。

        為消除紅外作用的熱效應(yīng)所帶來(lái)的影響,我們將經(jīng)過紅外作用后的超純水冷卻至室溫21.2℃,并與普通熱源加熱、冷卻后的超純水以及無(wú)外加熱效應(yīng)及紅外輻射的超純水的各項(xiàng)物化性質(zhì)進(jìn)行測(cè)試,結(jié)果見表1。

        其中1# 樣品為經(jīng)過普通電爐加熱30min 后,溫度升至60.5℃,之后冷卻至室溫21.1℃,然后進(jìn)行各項(xiàng)性質(zhì)的檢測(cè),2#超純水樣品為經(jīng)過低功率紅外作用30min,由于熱效應(yīng),水溫升至48.2℃,之后冷卻至室溫21.1℃,然后進(jìn)行各項(xiàng)性質(zhì)的檢測(cè),3#樣品為經(jīng)過高功率紅外作用30min 后,溫度升至60.5℃,之后冷卻至室溫21.1℃,然后進(jìn)行各項(xiàng)性質(zhì)的檢測(cè);4#超純水未做任何處理,用于對(duì)照組。四個(gè)樣品恒溫水域保持初始溫度21.1℃。表中數(shù)據(jù)為3 次平行測(cè)量的平均值,每次測(cè)試誤差均小于2%。

        2#與3#樣品分別與1#樣品比較,扣除熱效應(yīng)之后得出結(jié)論,紅外作用具有削弱氫鍵的作用,水分子團(tuán)簇更容易脫離處所在的分子簇體系。

        通過2#與3#樣品紅外作用功率的不同的比較,對(duì)水分子簇結(jié)構(gòu)變化所產(chǎn)生的影響也不同,高功率紅外作用效果優(yōu)于低功率在改變水分子簇結(jié)構(gòu)方面,扣除熱效應(yīng)空白后的結(jié)果。

        2#、3#樣品分別與4#樣品比較,可以看出紅外在改變水分子團(tuán)簇結(jié)構(gòu)方面的明顯作用。

        紅外輻射后的活化水在放置480h 后,仍然保持良好活性[2]。

        2 結(jié)果與探討

        2.1 在經(jīng)過熱傳遞紅外輻射后,超純水在實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)水溫、電導(dǎo)率、粘度、表面張力變化。

        2.2 對(duì)氫鍵的削弱效應(yīng)有兩方面作用:熱源加熱超純水的電導(dǎo)率隨溫度的變化曲線可以看出,在相同溫度處,水的電導(dǎo)率值卻不同,普通熱源加熱的超純水電導(dǎo)率最小,低功率作用后的超純水電導(dǎo)率次之,高功率紅外作用后超純水的電導(dǎo)率最大,熱傳遞使超純水的電導(dǎo)率增加,也就是說(shuō)加熱使水分子簇結(jié)構(gòu)變小的一種方法。紅外輻射效應(yīng)也是促使氫鍵變?nèi)醯牧硪灰蛩亍?/p>

        2.3 地球上71%為海洋面積,一個(gè)成年人含水量占體重65%。因此,水對(duì)生物、人體是至關(guān)重要的物質(zhì),如何挖掘出新的水功能作用,在醫(yī)療、新能源等領(lǐng)域會(huì)是一個(gè)突破。

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